基于CAN總線的汽車智能系統研究

羅浚溢,雷 霖,陳二陽

(成都大學電子信息工程學院,四川 成都 610106)

基于CAN總線的汽車智能系統研究

羅浚溢,雷 霖,陳二陽

(成都大學電子信息工程學院,四川 成都 610106)

提出了一種基于CAN現場總線的分布式汽車智能系統的設計方法,詳細討論了系統的設計方案、硬件搭建,通過CPLD控制外圍硬件,把采集到的數據通過CAN總線傳輸到MCU進行處理,并通過軟件仿真驗證了該方案的可行性.

數據采集;CAN總線;CPLD;MCU

0 引 言

隨著汽車動力性能的提高和人們對汽車舒適度要求的增加,汽車的電子控制單元和汽車電子裝置也在不斷增加.目前,汽車上通常采用點對點的方式將電子控制單元和電子裝置進行連接,這種傳統通訊方式已經滿足不了汽車上分布式系統實時控制的需要[1].同時,由于汽車中電子設備不斷增加而導致導線數量的幾何式的增長,也使得在車內有限空間里布線越來越困難,限制了汽車內部控制功能的擴展,此也使汽車內部電子單元的維修變得復雜[1-2].如何使這些眾多的獨立功能協調統一工作,亦即如何對整個車身進行控制,已經成為整個汽車電子研究領域中非常重要的課題[3].而科技的發展使得采用現場總線技術實現汽車的分布式網絡化控制進而對汽車各部分的實時控制成為可能[4].由于控制器局域網絡CAN總線具有多主方式傳輸、良好的檢錯糾錯能力、非破壞性仲裁技術、實時性強等特點,使得CAN總線在各種汽車控制總線中獨占鰲頭.本研究利用CPLD控制外圍器件,把采集到的數據通過CAN總線傳輸到MCU中進行處理,大大提高了汽車智能系統的數據處理能力及抗干擾性能.

1 系統設計方案

本研究的汽車智能系統的控制對象包括防盜、倒車雷達、智能天窗、車燈控制及車門控制等模塊,其結構如圖1所示.

圖1 汽車智能系統結構示意圖

智能系統的工作原理是,主控單元接收信號之后,先進行分析處理,然后通過CAN總線把控制指令發送給各受控端,各受控端響應后做出相應的動作.汽車智能系統的外部狀態數據的獲取是通過各種傳感器件,例如攝像頭、位移傳感器、壓力傳感器等,由CPLD控制ADC對模擬信號進行采樣,并把采樣到的數據自動向FIFO存儲器中存儲,通過CAN節點最終將數據發送到中央控制模塊,其結構如圖2所示.

圖2 汽車智能系統數據采集方案示意圖

2 系統硬件設計

2.1 A/D轉換

外部模擬量的采樣由高速模數轉換器TLC5510芯片實現.TLC5510是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片,能提供的最小采樣率為20 MSPS.由于TLC5510采用了半閃速結構及CMOS工藝,因而大大減少了器件中比較器的數量,而且在高速轉換的同時能夠保持較低的功耗,其還帶有內部采樣保持電路,從而大大簡化了外圍電路的設計.TLC5510的工作時序如圖3所示.

圖3 TLC5510工作時序

在圖3所示的工作時序控制下,當第一個時鐘周期的下降沿到來時,模擬輸入電壓將被采樣到高比較器塊和低比較器塊.高比較器塊在第二個時鐘周期的上升沿最后確定高位數據,同時,低基準電壓產生與高位數據相應的電壓;低比較塊在第三個時鐘周期的上升沿的最后確定低位數據.高位數據和低位數據在第四個時鐘周期的上升沿進行組合,這樣,第N次采集的數據經過2.5個時鐘周期的延遲之后,便可送到內部數據總線上.

圖4為TLC5510硬件電路圖,電源芯片AD584為TLC5510提供5 V穩壓電源,以防止模擬量輸入模塊電壓不穩而影響轉換精度.

圖4 TLC5510硬件電路

2.2 CAN總線節點

CAN總線節點的主要作用是把從FIFO存儲器中的數據通過CAN總線傳輸到中央控制模塊中.CAN總線節點硬件部分由CAN控制器、CAN收發器和單片機組成,其接口電路圖如圖5所示.

圖5 CAN總線節點硬件電路

CAN控制器選用SIA1000,該芯片新增了一種PeliCAN工作模式,支持CAN2.0B協議.CAN收發器選用TJA1050,該芯片是CAN協議控制器和物理介質之間的接口.TJAl050可以為總線提供不同的發送性能,為CAN控制器提供不同的接收性能,而且它與IS011898標準完全兼容.單片機選用的是AT89S51,該單片機的引腳和功能與8051兼容,并且內部含有 4 KB的FLASHROM,支持在系統編程(ISP).

本智能系統中,CAN控制器SJA1000的中斷引腳INT與單片機AT89S51的中斷引腳直接相連,這樣能夠在數據發送、接收以及總線報錯時及時產生中斷,交由單片機進行處理.SIA1000的SOF信號需要被引出,接入單片機的中斷引腳.這樣,當SIA1000檢測到一個幀起始信號時,在SOF引腳上就會產生一個脈沖,并在單片機一端產生一個中斷請求.單片機響應SOF中斷后,會判斷報文是否為參考幀,如果是,則將本地計時器的值清零,并保存主節點分配給自己的時間片的起始值,當計時器運行到該值后,發送報文.如果收到的幀不是主節點的參照時間信息幀,系統繼續.

為了增強CAN總線節點的抗干擾能力,TJAl050的TX0和RX0并不是直接與SIA1000相連接的,而是通過高速光耦6N137后與之相連,這樣就很好地實現了電氣隔離.

3 系統軟件設計

3.1 A/D轉換

本智能系統采用有限狀態機完成A/D轉換和FIFO中的數據存儲(見圖6).

圖6 采樣控制狀態機示意圖

如圖6所示,在狀態S0處,在時鐘上升沿對信號采樣;在狀態S1處,把采樣輸出的同步信號作為FIFO的寫入信號.CPLD接受到A/D芯片傳輸的8位二進制數,轉換成電壓數字量.A/D芯片的參考電壓為5 V,而且8位A/D芯片的最大輸出為255,這樣A/D轉換的最小輸出單位大約為0.02 V,所以可近似地將A/D輸出的8位二進制數乘以2,即得到所需要的3位電壓值.圖7所示為在MAX+PLUS II中的仿真結果.

圖7 A/D仿真結果

3.2 CAN總線節點

CAN總線節點接口程序設計的實質就是實現對控制器SJA1000初始化和收發中斷處理等操作.SJA1000的初始化就是對其通信參數的設置,需要初始化的CAN控制寄存器有模式寄存器(MOD)、驗收代碼寄存器(ACR)、驗收屏蔽寄存器(AMR)、總線定時寄存器(RTR)、輸出控制寄存器(OC)、中斷寄存器(IR)和中斷使能寄存器(IER)等.CAN總線節點部分接口程序如下:

4 結 論

本研究提出的基于CAN總線的汽車智能系統,其數據采集部分采用CPLD芯片,使用自動狀態機實現數據采樣與自動存儲,采集到的數據通過CAN總線傳輸到中央控制模塊進行處理.該技術解決方案顯著提高了系統的反應速度和性能,具有較強的應用前景.

[1] 曲鳳麗.汽車網絡研究及CAN總線網絡拓撲的優化[D].杭州:浙江大學,2011.

[2]李文君,高樹新,謝伯元,等.汽車新型電氣發展概述[J].汽車電器,2005,46(3):55-59.

[3] 李浩.基于現場總線的車身電子控制系統開發[D].長春:吉林大學,2005.

[4] 付亮,王星.基于CAN總線的汽車車身控制系統的研究與應用[J].北京汽車,2007,30(1):21-23.

[5] 羅浚溢,劉建新.分布式數據采集的SOC設計[J].機電一體化,2008,14(5):31-36.

[6] 曲震宇.基于CPLD的高速數據采集系統控制模塊的設計與實現[J].哈爾濱理工大學學報,2006,28(3):30-33.

Study of Automotive Intelligent Instruments Based on CAN Bus

LUO Junyi,LEI Lin,CHEN Eryang
(School of Electronic and Information Engineering,Chengdu University,Chengdu,610106,China)

The design method of distributed automotive intelligent system based on CAN bus is discussed.This paper describes the system's scheme and hardware structure in detail.The method uses CPLD to control the peripheral chips to construct a kind of universal multi-channel data acquisition module,and then transports the acquired data to MCU by CAN bus.The method is verified to be feasible by software simulation.

data acquisition;CAN bus;CPLD;MCU

TP273+.5

A

1004-5422(2013)01-0047-04

2012-12-05.

四川省科技廳科技支撐計劃(2011CZ0260)資助項目.

羅浚溢(1980—),男,博士,從事汽車電子技術研究.